《Applied Materials Today》：Structurally optimized gravity-adaptive TENG for high-performance vibration energy harvesting
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提出了一种结构优化的、具有重力适应性的拱形外壳柔性SR-strip VEH-TENG。
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FSR-TENG的输出功率比传统设计高出206%。
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在不同振动激励下，对SR-strip的空间振动幅度进行了表征。
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FSR-TENG被应用
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提出了一种结构优化的、具有重力适应性的拱形外壳柔性SR-strip VEH-TENG。
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FSR-TENG的输出功率比传统设计高出206%。
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在不同振动激励下，对SR-strip的空间振动幅度进行了表征。
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FSR-TENG被应用于柴油发动机环境中进行温度传感。
引言
物联网（IoT）技术的快速发展正在推动多个领域的创新。它推动了智能船舶、机械设备、工业生产和环境监测方面的进步[1]、[2]、[3]。目前，分布式传感器网络主要依赖化石燃料和电池作为能源。然而，化石燃料加剧了污染和气候变化，而电池则面临寿命短、维护需求高以及环境污染等问题[4]、[5]、[6]。研究表明，环境振动能量可以被高效收集并转化为电能，为分布式传感器网络提供稳定且清洁的可再生能源[7]、[8]、[9]。近年来，研究人员广泛探索了各种收集振动能量的方法，包括电磁[10]、压电[11]、静电[12]、摩擦电纳米发电机（TENG）[13]以及不同的混合方式。郝等人进一步开发了一种紧凑的相位对齐混合 harvester，集成了摩擦电、压电和电磁单元，用于低频机械能量收集，并为基于蓝牙的IoT模块供电[14]。其中，振动能量收集TENG（VEH-TENG）作为一种新兴的分布式能源解决方案，因其独特的优势而受到了广泛关注。首先，TENG展现出卓越的环境适应性，能够有效收集多种形式的机械能量。此外，TENG还具有高输出电压和低制造成本等显著特点[15]。它能够收集日常生活中普遍存在的机械振动能量，实现高效的机械能到电能的转换[16]、[17]。
目前，VEH-TENG已经取得了广泛的应用和研究突破。研究人员正在实施多种策略来进一步提高TENG的输出性能，包括表面处理、材料复合、电源管理电路和结构设计优化[18]、[19]、[20]。其中，表面处理通常涉及喷墨打印、激光烧蚀和静电纺丝等技术[21]、[22]、[23]。选择适当的材料对于提升设备的输出性能也至关重要[24]、[25]、[26]。然而，研究人员在TENG的材料复合过程中遇到了重大挑战，这涉及复杂的制造程序和多层异质材料系统内的界面兼容性问题[27]。此外，研究人员还开发了先进的电源管理电路系统来提高TENG的输出性能[28]、[29]。结构韧性对于保持反复的接触-分离以及改进机械恢复和电能输出也非常重要[30]。另外，结构设计和多机制集成已被证明可以通过改善有效接触和更宽的振动频率范围进一步提高能量收集性能[31]、[32]。尽管如此，要实现TENG的最佳性能，根本取决于结构设计作为核心决定因素。例如，张等人开发了一种自由模式振动能量收集器，其中其发电单元（P-TENG）通过电源管理模块提供稳定的2.5 V直流电压。这种输出成功地为微控制器供电，并实现了自主振动感知和无线数据传输[33]。此外，王等人提出了一种三维摩擦电纳米发电机（3D-TENG）系统。该系统通过协同的垂直接触-分离和面内滑动模式实现全方位振动能量收集。集成设计使得能量集中区域能够精确定位，为结构振动诊断和早期损伤预警提供了有前景的框架[34]。虽然弹簧共振TENG在特定频率下表现出有效的能量收集效率，但其结构刚性和方向敏感性限制了其在复杂振动环境中的适应性。相比之下，孟等人报告了一种基于静电纺丝纳米纤维的自供电柔性振动传感器，展示了柔性架构在振动能量收集中的内在优势[35]。由于其超薄和可弯曲的配置，该传感器能够无缝贴合轨道表面，从而高效捕获铁路振动能量。这种灵活性不仅提高了在不同振动环境中的适应性，还为实际工程应用提供了可靠且集成的解决方案。为了简化结构设计同时确保TENG的机械疲劳抵抗能力，提出了一种谐波硅橡胶TENG（HSR-TENG）[36]。HSR-TENG在复杂的工作条件下实现了宽带振动能量收集。在这种结构配置中，柔性条带的设计以其出色的耐用性、低机械磨损和对非共振振动能量的良好适应性而脱颖而出。更具体地说，传统的外壳设计没有考虑到SR-strip的运动轨迹，导致运动受限、空间利用不足和动态接触力不足。这些因素共同阻碍了能量转换效率的进一步提高。这种限制在操作上表现为硅条带仅与外壳的局部区域相互作用，从而未能充分发挥其三维空间架构的潜力。
为了解决现有柔性振动能量收集器空间利用有限的问题，本文提出了一种具有重力适应性的拱形外壳柔性SR-strip TENG（FSR-TENG）。设计了一种与SR-strip实际运动轨迹相匹配的不对称弯曲外壳。FSR-TENG充分利用了设备内部空间，同时显著增强了硅条带与外壳之间的动态接触力。这一设计显著提高了VEH-TENG的输出性能。通过基于弦理论的建模和COMSOL有限元分析系统地研究了振动特性。结果表明，一阶自然频率与预应变的平方根呈正相关，与条带长度呈负相关。相应地，模拟的一阶模式显示出最佳的振幅分布，其最大位移区域与拱形外壳轮廓高度兼容，为实现全空间适应性振动铺平了道路。FSR-TENG能够高效收集来自柴油发动机的振动能量，为温度传感器提供持续的动力。通过开创性的不对称重力适应性拱形外壳设计，FSR-TENG成功地将智能机械设计与高能量收集性能相结合。这种结构策略有效地解决了柔性振动能量收集器长期以来存在的空间利用低和动态接触力弱的限制，为高性能振动能量收集开辟了有希望的道路。
章节片段
FSR-TENG的结构和工作原理
如图1a所示，许多设备和机器以恒定频率运行，例如船舶、火车、空气压缩机、飞机等。这一特性使它们成为振动能量收集的理想候选者。FSR-TENG可以成功收集设备运行过程中产生的废振动能量，并为传感器供电。该结构由一对不对称弯曲的上壳和下壳以及一个柔性硅胶条带组成。
结论
我们提出了一种具有重力适应性的拱形外壳柔性SR-strip VEH-TENG（FSR-TENG），以通过结构优化来提高VEH-TENG的输出性能。这种不对称的重力适应性拱形外壳结构是基于SR-strip受重力引起的上下位移分布开发的。该设计显著提高了空间利用率和动态接触性能。优化后的FSR-TENG开放电路电压为178 V。
CRediT作者贡献声明
吴桂涛：写作——审稿与编辑，软件。杜Taili：写作——审稿与编辑，监督，资源获取，资金募集。辛一达：研究。宋玉超：监督。徐敏毅：写作——审稿与编辑，资源获取，资金募集。沈殿龙：写作——初稿，研究，概念化。赵志明：可视化，研究。赵江涛：可视化，验证。刘一林：写作——初稿，验证，方法论，数据管理。张志英：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会（项目编号：2025T180074、2024M750297）和北京高熵能源材料与器件实验室，北京纳米能源与纳米系统研究所（GS2025MS004）的支持。
沈殿龙 | 刘一林 | 张志英 | 赵志明 | 赵江涛 | 辛一达 | 宋玉超 | 吴桂涛 | 杜Taili | 徐敏毅
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